煤炭工程 ２０１ １年第８期 水力割缝技术在提高瓦斯抽采效果中的应用 陈喜恩 ，崔新益 ，涂冬平 ，张连军 （１．平顶山天安煤业股份有限公司十三矿，河南平顶山２．河南理工大学安全工程学院，河南焦作３．徐州博安科技发展有限责任公司，江苏徐州４６７１００： ４５４０００： ２２１００８） 摘要：为了提高低透气性煤层的瓦斯抽采效率，文章提出了用水力割缝技术扩大钻孔的直 接影响范围的思路，研究了水力割缝技术对扰动煤体的体积、表面积、单孔瓦斯抽采量、钻孔影 响半径等参数，对比分析了水力割缝技术和普通钻孔抽采技术的数据，结果表明水力割缝技术扰 动煤体体积可提高６～１６倍，影响煤体表面积可提高５．３～８．８倍，单孔抽采流量可提高２．Ｏ～ ２．５倍。同时水力割缝技术可增大单孔有效影响半径，在一定程度上可减少施Ｘ－．工程量 关键词：水力割缝；瓦斯抽采；封孔工艺；注浆；抽采孔影响半径 中图分类号：ＴＤ７１２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—０９５９（２０１ １）０８－００３４－０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｌｏｔ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｇａｓ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｅｆｆｅｃｔ ＣＨＥＮ Ｘｉ—ｅｌ３ ，ＣＵＩ Ｘｉｎ—ｙｉ ，ＴＵ Ｄｏｎｇ—ｐｉｎｇ’，ＺＨＡＮＧ Ｌｉａｎ—ｊｕｎ （１．Ｎｏ．１３ Ｍｉｎｅ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｔｉａｎｈｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｔｄ．，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ４６７１００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｘｕｚｈｏｕ Ｂｏｈｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｅａｍ，ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｌｏｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｏ ｅｘｐａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｈａｄ ａ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｌｏｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｖｏｌｕｍｅ，ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ，ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｉｎｌｕｅｎｃｅ ｒａｄｉｆｕｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｌｏｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｌｏｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｕｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｖｏｌｕｍｅ ｂｙ ６～１６ ｔｉｍｅｓ，ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｎｌ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ５．３～８．８ ｔｉｍｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ２．０～２．５ ｔｉｍｅｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｌｏｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｕｌｄ ｅｎｌａｒｇｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｅｇｒｅｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｌｏｔ ｃｕｔｔｉｎｇ；ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ；ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｇｒｏｕｔｉｎｇ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ 瓦斯抽采是治理瓦斯灾害最有效的方法之一，“先抽后 采”是我国瓦斯治理方针。但是目前我国大多数矿井属于 低透气性煤层，瓦斯抽采效率低，不能满足日益增长的开 采要求，严重制约了矿井采掘生产工作。５０多年前我国曾 研究用水来预防突出，从１９５８年以来，先后在北票、南 桐、焦作进行过多次水力冲孔试验，获得良好的效果。近 年，在鹤壁四矿、二矿及红卫煤矿进行过钻孔水力割缝抽 采瓦斯试验，试验表明：对于厂＝０．２～１．１的煤层，采取割 钻孔自然瓦斯涌出量为非割缝的２．５倍左右；水力割缝形 成的松动卸压影响范围可达４～１０ｍ，能够达到排放瓦斯和 卸压的要求。 １９６８—１９７２年，马凯耶夫煤矿安全研究院提出了煤体 水力破裂方法，研究试验了水力疏松、水力挤出、水力割 缝和低压润湿煤体等防突措施。水力割缝在治理瓦斯突 、 消除地应力方面的研究已经得到国内专家和煤炭企业的认 可，但是在本煤层强化瓦斯抽采方面研究较少。因此开展 本煤层的水力割缝强化瓦斯抽采技术研究显得尤为重要。 缝压力为１２～１６ＭＰａ、水量为１１．７ｍ ／ｈ进行水力割缝后， 收稿日期：２０１０—１２—０８ 作者简介：陈喜恩（１９６９一），男，河南叶县人，高级工程师、硕士研究生，毕业于中国矿业大学采矿工程系采矿工程 专业，现为平顶山天安煤业股份有限公司十三矿总工程师。 ３４ ２０１１年第８期 １工业试验 １．１ 工作面概况 煤炭工程 己 ，一１３０３１工作面位于己三采区东翼第二区段，工 作面设计长度为２３０５ｍ，巷道掘进标高为～６３０～一６９０ｍ， 巷道垂深为７１９～７７９ｍ，巷道沿己１５煤层顶板施工，已经 施工８３０ｒｎ。该工作面煤层赋存比较稳定，煤的破坏类型为 Ｉ～Ⅲ类，透气性较差，煤层倾角在６。～１０。之间。煤层顶 底板均为砂质泥岩，煤层瓦斯含量为ｌ１．４ｍ ／ｔ，掘进过程 图１抽采孔封孔工艺示意图 表２钻孔参数表 中绝对瓦斯涌出量为２．８ｍ ／ｍｉｎ。 １．２现场施工情况 现场在己 一１３０３１机巷沿本煤层施工顺层钻孔，然 后进行水力割缝，孔口进行密封并联网抽采。现场一共施 工了１６个钻孔，其中水力割缝钻孔６个，三个开孔孔径为 ９４ｒａｍ，三个开孔孔径为１２０ｍｍ，并进行封孔联网抽采，现 场施工钻孔基本参数见表１。 表１施工钻孔参数表 １．３ 封孔工艺 采用新型矿用封孔材料ＰＤ和ＰＢ，封孔长度为１０ｍ， 注浆泵为ＺＢＱ一１５／２．０，其工艺如下：选取抽采管２根 （５ｍ／根）一组，其中一根前端扎花眼。里面的抽采管前端 裹上ＰＢ材料（离花管至少１ｍ），并用透明宽胶带缠２～４ 层。送进抽采管后，将一根注浆管（２ｍ）送人孔中。孔口用 ＰＢ材料进行封堵，留４０ｅｒａ在孔外。按水灰比１：２配制ＰＤ 浆料，注浆封孔。次日，并网抽采，定时记录孔口负压、 流量、浓度等参数，抽采孔封孔工艺示意图如图１所示。 ２效果考察 ２．１煤体扰动对比 经数据分析，分别选取２ 孔、９ 孔和１３ 孔进行对比， 水力割缝参数见表２。 经计算得出各孔的直接扰动煤体体积、直接扰动煤体 表面积的值，其对煤体的影响效果对比见表３。 表３水力割缝与钻孔对煤体影响效果对比 由表３可知：直径９４ｒａｍ的水力割缝抽采孔与１６０ｒａｍ 未采取水力割缝的抽采孔相比，扰动煤体体积提高了４．７０ 倍，扰动煤体表面积提高了４．３倍；与９４ｍｍ未采取水力割 缝的抽采孔相比，扰动煤体体积提高了１５．０６倍，扰动煤 体表面积提高了７．８倍。 研究结果表明：在孔内进行水力割缝措施可以扩大影 响煤体的体积和表面积，即可扩大抽采钻孔有效影响范围， 增大单孔瓦斯释放区域。 ２．２抽采量对比 根据现场施工钻孔基本情况，５、７、９号孔为水力割缝 孔，１１、ｌ２、１３号孔为普通孔，这６个抽采钻孔在该测定 周期内的流量变化曲线如图２所示。 喜 ｇ 警 蓝 抽采天数 ・５寸割缝孔 ・９ 割缝孔 ｘ１２｛）普通孔 －７号割缝孔 ・１１号割缝孔・１３号普通孔 图２部分抽采孔流量变化曲线图 由图２可知：采取水力割缝措施的５、７号孔瓦斯流量 ３５ 煤炭工程 ２０１ １年第８期 为０．８７ｍ ／ｒａｉｎ，９号孔开始流量为０．６６ｍ ／ｍｉｎ，２５ｄ后为 ０．３ｍ ／ｒａｉｎ；未采取水力割缝的１１号抽采孔开始流量为 ０．４８ｍ ／ｍｉｎ，２５ｄ后为０．１２ｍ ／ｒａｉｎ，１２、１３号孔开始流量 为０．３ｍ ￣ｒａｉｎ，２５ｄ后为０．０６ｍ ／ｒａｉｎ 以推算出，实施水力割缝 艺将比普通钻孔抽采减少 ４０％～６０％的工程量。 独观测彳Ｌ 一 对比分析可知：采取水力割缝措施与普通钻孔相比较， 单孔瓦斯流量可提高２．０～２．５倍，高浓度时间延长１．６～ ２．９倍。因此水力割缝在提高单孔瓦斯流量方面有明显 优势。 图５普通抽采子Ｌ影响半径考察施工示意图（ｎｌｌｎ） ２．３影响半径分析 现场试验采用观测孔流量影响法测定抽采孔的影响半 径。在待测割缝抽采孔一边施工４个观测孔如图３所示。 同时，施工一个单独的观Ｏｎ．￣ＳＦＬ，将１ ～４ 及单独观测孑Ｌ密 封并人抽采管路观察瓦斯流量变化，为了避免５ 孔对１ ～ ４ 孔瓦斯流量的过度影响，５ 孔仅密封不连入抽采管路。 在一定的测试周期内，对比１ 一４ 孔与单独观测孔的瓦斯 ｛ｏ．３ ２ 萎。一 ０ ５ １０ ｌ５ ２Ｏ ２５ ３０ 流量变化，如观测孔的流量比单独观测孔流量提高１０％以 ｊ：，则该观测孔处于抽采孔的影响范围内。 洲试周期 图６测试周期内１５ ｌ７ 钻子Ｌ流量变化图 单独 孔 一３结。语 ｅ一一 Ｉ１ Ｉ 金 一 旦 水力 技割缝技术具有扩大单孔抽采米有效 范影响范 ，提高尚 。 测量Ｊ吉＝ｌ期 ／ｄ Ｉ Ｈ ［２］ 林柏泉．影响煤层瓦斯抽放的 素及其分析旧水’ Ｈ 。林 ¨ ” 从’ ｌ Ｊ ｊ 煤矿安Ｍ … 图４测试周期内１ ～４ 钻孔流量变化图 在２６ｄ测试周期内的１ ～４ 钻孔的瓦斯流量变化曲线 如图４所示，由图４可知，２ 、３ 、４ 孔的流量曲线均在红 色１０％标准线上方，即：该 个孔均在５ 孑Ｌ的影响范围 ［３１ 高 宁．Ｉ瓦 煤层流动的机理【Ｊ Ｊ．煤炭学报，ｌ９９【）１ １５（１）：６１～６７． 【４ Ｊ 赵岚，冯增朝，赵阳升，等．水力割缝提高低渗透煤层渗透 性实验研究［Ｊ Ｊ・太原理Ｊ 大学学报，２００１， （ ）： 。 内：而１ 孔的流量曲线与红色．１０％标准线相吻合，不在５ ２—５￣３ｍｏ ～ ・ 范眠眦ｓ懒恻缝抽 向半径为 ．嚣’ 嚣 ２Ｏ０】．２０（４）．４４３～４４５． ．同理，根据图５、６可知，普通抽采钻孔的影响半径为 １一Ｏ～ｌ・５ｍ。 『６１ 陆海’龙煤层钻割一体化实验系统水射流切割性能研究 ［Ｄ Ｊ徐州：中国矿业大学，２００７． 因此，由水力割缝抽采孑Ｌ及普通抽采孔的影响半径可 ｅ 矿 ｅ 。扩 。 （责任编辑 张宝优） ｅ 。。 。 （上接第３３页） 『５】 戴俊．岩石定向断裂控制爆破技术的工程应用［Ｊ］．煤炭 科学技术，２０００，２８（４）：７～９． ［８］ 龚敏，＝ｒ亚伦．爆破动态应力场馈化研究原理与初步实验 ［Ｊ］．爆炸与冲击，１９９７，（１）：４３～４９． 【９ｊ 新汶矿业集团有限责任公司．深井复杂条件大断面岩巷机械 『６］ 『７］ 张文江，李瑞璞，王义和，等．聚能管爆破技术在岩巷掘进 中的应用［Ｊ］．煤炭技术，２００５，２４（７）：３６～３７． 张德琦，田会礼．岩巷中深孔爆破合理掏槽型式的确定 【Ｊ］．煤矿安全，２００５，３６（５）：３０～３２． 化快速掘进成套技术研究［Ｒ］．徐州：中闫矿、Ｉ 大学， ２００８． （责任编辑张宝优） ３６
